“拉索”立新功！科学家揭秘“宇宙烟花”伽马射线暴全过程

　　中青报·中青网见习记者 杨洁

　　约20亿年前，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”——大质量恒星燃烧完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子，穿过茫茫宇宙，径直飞向地球，于2022年10月9日21时20分50秒抵达我国大科学装置高海拔宇宙线观测站的视场范围，6万多个伽马光子被“拉索”收集到。

　　经过几个月的分析后，科学家们终于揭开了这场事件的面纱。

　　2023年6月9日，高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称“拉索”）对命名为GRB 221009A的伽马射线暴的最新观测研究成果，在线发表于国际学术期刊《科学》杂志，题为“极亮伽马射线暴221009A窄喷流的万亿电子伏特余辉”。该论文由LHAASO国际合作组完成。

　　“拉索”首次精确测量高能光子爆发的完整过程

　　“拉索”收集到的信号细节表明，探测到的光子来源于主爆之后的后随爆炸。伽马射线暴事件的“主爆”，也称为瞬时辐射，是初始阶段的巨大的爆炸，表现为强烈的低能的伽马射线辐射。接近于光速的爆炸物与周围环境气体碰撞则产生“后随爆炸”，也称为余辉。

　　伽马射线暴（也简写为伽马暴）是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体爆炸现象，是指来自天空中某一方向的伽马射线突然增强的闪烁现象。伽马暴短至千分之一秒，长则数小时。短时间的伽马暴是由两颗邻近的致密星体（黑洞或中子星）并合产生，而长时间的伽马暴是由巨大恒星（超级恒星）在燃料耗尽时塌缩爆炸产生。

　　“拉索”探测伽马射线暴（GRB 221009A）艺术图。中国科学院高能物理所供图

　　“‘拉索’首次精确地观测了‘后随爆炸’的完整过程，记录了万亿电子伏特伽马射线流量增强和衰减的整个阶段。” LHAASO项目首席科学家、LHAASO国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说。

　　凭借对上万个伽马射线暴的观测，科学家们已经建立了似乎完美的理论模型，甚至于对它深信不疑了。团队认为，“拉索”实现了其他实验没有达到的高能量波段光变过程的教科书式的完整观测，对理论模型的精确检验提供了实验基础。鉴于此次爆发千年不遇的稀缺性，这个观测结果预期将在今后几十甚至上百年内将保持最佳。

　　“在后随爆炸过程中，‘拉索’首次探测到光子流量的极速增强。” 论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员姚志国说。不到两秒的时间内流量增强了100多倍，之后的缓慢增长行为却符合后随爆炸的预期特征。早期如此快速的增强现象超出了以往理论模型的预期。究竟存在着什么样的机制？此次发表的观测结果将会引发科学界对伽马射线暴能量注入、光子吸收、粒子加速等机制的深入探讨。

　　“拉索”发现了此伽马射线暴历史最亮的秘密

　　“拉索”观测表明，高能辐射在起爆之后不到10分钟的某个时刻，亮度突然快速减弱了。

　　“这可解释为爆炸后的抛射物是喷流状的结构，当辐射张角扩展到了喷流的边缘时造成亮度快速下降。” 论文通讯作者之一、南京大学教授王祥玉说。由于这个亮度转折发生时间极早，由此测出了喷流的张角也极小，仅0.8度。这是迄今知道的最小张角的喷流，意味着观测到的实际上是一个典型内亮外暗喷流的最明亮的核心。

　　“正是由于观测者碰巧正对喷流最明亮的核心，自然地解释了为什么这个伽马射线暴是历史上最亮的，也解释了为什么这样的事件极其罕见。” 论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授戴子高表示。

　　在这个事件持续的十分钟内，“拉索”记录到的光子数超过了过去几年对“标准烛光”蟹状星云观测积累。“若把选择条件降到最低，光子数可以达到10万！”论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员查敏说。对比同能区其他实验装置，甚至是专门设计来追踪伽马暴的设备，它们测到的光子数目仅在千个以下的水平，且都只测到了爆炸过后60秒以晚的“余辉”。

LHAASO航拍图。中国科学院高能物理所供图

　　美国宾州州立大学讲座教授、美国艺术与科学院院士、伽马射线暴火球模型奠基人Peter Meszaros提到，得益于LHAASO巨大的观测面积和先进的探测器技术，这是首次探测到TeV能区的早期余辉光变曲线，它们由外激波的同步辐射-自康普顿成分形成。此外，光变曲线显示出了减速特征，给出了值约为440的平均洛伦兹因子的测量结果。它还观测到了光变曲线的截断现象，由此可以计算出喷流张角约为0.8度，使得喷流总能量减少至约1051 erg，与其他伽马射线暴一致。

　　北京师范大学天文系高鹤教授认为，“伽马射线暴（以下简称伽马暴）是宇宙中最剧烈的爆发现象，其几秒钟辐射的能量相当于太阳100亿年辐射能量的总和。经过半个世纪的研究，人们认识到伽马暴产生于特别极端的物理环境，比如极高的磁场、极强的引力，极快的速度等等，伽马暴由此成为天体物理甚至基础物理领域青睐的极端物理实验室。”

　　他进一步解释，人们期望利用伽马暴研究宇宙的演化历史、重元素的起源以及相对论的正确性等重大问题，而在这之前必须对伽马暴自身的物理起源具备深刻的了解。

　　“截至当下，本场事件还有其他的许多新发现，科学家们还在不懈地深耕‘拉索’的数据，力图揭示更多的奥秘，敬请等待‘拉索’的后续数据分析成果。” 曹臻对LHAASO下一阶段成果给出了乐观的预期。